Elektrischer Kondensator, insbesondere Wickel-Elektrolytkondensator

Abstract

 Ein Kondensatorwickel (4) ist in ein metallisches Gehäuse (5) eingebaut. Der Wickel (4) besitzt an den beiden Stirnseiten überstehende Elektrodenfolien (7, 9) die in thermischem Kontakt mit dem Boden (6) und einer metallischen Platte (16) stehen. Die hierdurch gebildeten Wärmebrücken sorgen für eine bessere Wärmeableitung bei hohen Wechselstrombelastungen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen elektrischen Kondensator mit selbst­tragenden Elektrodenfolien, insbesondere Wickel-Elektrolytkon­densator für hohe Wechselstrombelastbarkeit, der in ein metal­lisches Gehäuse eingebaut ist und eine metallische Wärmebrücke zwischen Kondensator und Gehäuse besitzt, die durch eine ein­seitig eine Stirnseite überragende Elektrodenfolie gebildet wird, die in thermischem Kontakt zum Boden des Gehäuses steht.

[0002] Wickel-Elektrolytkondensatoren bestehen im allgemeinen aus einer Anodenfolie aus Aluminium, die mit einer dielektrisch wirksamen Oxidschicht versehen ist. Die Kathode des Kondensators wird durch den Betriebselektrolyt gebildet, der meistens in saugfähi­gen Isolierfolien, z.B. aus Papier, gespeichert ist. Als Katho­denzuführung dient eine weitere Aluminiumfolie, die Kathodenfo­lie.

[0003] Bei Belastung eines derartigen Kondensators mit Wechselstrom entsteht im Kondensatorwickel Verlustwärme, die über das Gehäu­se an die Umgebung abgegeben wird. Die Wärme führt zu einer Überhitzung des Kondensatorwickels und damit zu einer starken Verringerung der Brauchbarkeitsdauer.

[0004] Um den thermischen Widerstand zwischen dem erwärmten Wickel und dem Gehäuse zu verringern, besitzen Wickel-Elektrolytkondensato­ren für hohe Wechselstrombelastungen eine zusätzliche metallische Wärmebrücke vom Kondensatorwickel zum Boden des Gehäuses. Diese Wärmebrücke wird dadurch gebildet, daß die Kathodenfolie einsei­tig zum Becherboden übersteht und somit thermischen Kontakt zum Gehäuse besitzt. Zur besseren Wärmeableitung kann am Boden des Gehäuses ein Kühlblech befestigt werden, sowie eine Zwangsküh­lung durch Wasser, Öl bzw. bewegte Luft vorgenommen werden. Die geschilderten Zusammenhänge sind ausführlich im Siemens- Daten­buch 1989/90 "Aluminium- und Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren" auf den S. 31 bis 36 im Kapitel 5.5 "Wechselstrombelastung" dar­gestellt.

[0005] Durch die geschilderte einseitige thermische Kontaktierung des Wickels mit dem Becher müssen große Wärmeströme über lange Wege abgeleitet werden, so daß die Wechselstrombelastbarkeit bei vor­gegebener Brauchbarkeitsdauer begrenzt ist.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, den thermischen Widerstand zwischen Kondensatorwickel und Gehäuse zu verringern, damit der Konden­sator höheren Wechselstrombelastungen ohne unzulässige Tempera­turüberhöhungen ausgesetzt werden kann.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Kon­densator eine zweite Wärmebrücke angeordnet ist, die durch eine die zweite Stirnseite überragende Elektrodenfolie gebildet wird, die in thermischem Kontakt mit einem weiteren Gehäuseteil steht.

[0008] Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteran­sprüchen angeführt.

[0009] Die Vorteile werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.

[0010] In der dazugehörenden Zeichnung zeigen

FIG 1 den thermischen Widerstand bei einem herkömmlichen Kon­densator,

FIG 2 den thermischen Widerstand bei einem Kondensator nach der Erfindung,

FIG 3 ein Wickelschema mit überstehenden Kathoden,

FIG 4 ein Wickelschema mit überstehender Kathode und Anode,

FIG 5 einen Kondensator mit zusätzlicher Wärmeableitplatte,

FIG 6 einen Kondensator mit integrierter Wärmeableitplatte,

FIG 7 einen Kondensator mit zwei voneinander isolierten Gehäu­sebechern,

FIG 8 die Verteilung des Wärmestroms bei unterschiedlichen Kühlmethoden und

FIG 9 die Temperaturverteilung in der Kondensatorwickel-Achse.

[0011] In der FIG 1 ist schematisch der Wärmeableitungsweg für einen herkömmlichen Wickelelektrolytkondensator dargestellt, bei dem die Kathodenfolien einseitig zum Becherboden überstehen, so daß die Wärmeableitung über den Becherboden erfolgt. T_h ist die "Hot-Spot-Temperatur", die im Kondensatorwickel durch Verlust­wärme entsteht. T_w ist die äußere Wickel-Temperatur und T_c die Gehäuse-Temperatur. Mit R_hw ist der thermische Widerstand im Wickel zur "Hot-Spot-Region" und mit R_wc der thermische Wider­stand zwischen Wickel und Gehäuse bezeichnet. Hiermit ergibt sich ein thermischer Widerstand zwischen "Hot-Spot-Region" und Gehäuse R_hc = R_wc + R_hw.

[0012] In der FIG 2 ist schematisch der Wärmeübergangsweg für einen Kondensator dargestellt, der eine zweite Wärmebrücke besitzt. In diesem Fall ergibt sich für den thermischen Widerstand zwi­schen "Hot-Spot-Region" und Gehäuse R′_hc = 1/2 R_wc + 1/4 R_hw. Durch die zweite Wärmebrücke im Kondensator wird somit der ther­mische Widerstand im Wickel um 75 % und der thermische Wider­stand zwischen Wickel und Gehäuse um 50 % verringert.

[0013] In der FIG 3 ist ein Wickelschema dargestellt, daß einen Konden­sator zeigt, der aus einer Anodenfolie 3 und zwei überstehenden Kathodenfolien 1 aufgebaut ist. Zwischen Anodenfolie 3 und Ka­thodenfolie 1 sind Abstandshalter 2 angeordnet, die beispiels­weise aus Papier bestehen und in denen der Elektrolyt gespeichert ist. Die überstehenden Enden der Kathodenfolien 1 stehen in thermischen Kontakt mit einerseits dem Becherboden und anderer­seits einem weiteren Gehäuseteil, so daß zwei Wärmebrücken ent­stehen.

[0014] In der FIG 4 ist ein weiteres Wickelschema dargestellt, bei dem die Kathodenfolien 1 nur an einer Seite überstehen und dort die erste Wärmebrücke bilden, während die zweite Wärmebrücke durch die überstehende Anodenfolie 3 gebildet wird.

[0015] Der Überstand der jeweiligen Folien über die Stirnseiten beträgt beispielsweise 6 mm, wobei Wickelschemata dargestellt sind, die nur eine Anodenfolie und zwei Kathodenfolien aufweisen. Dies ist für einen besseren Wärmeübergang erforderlich, da die Ano­denfolien in einem Wickel-Elektrolytkondensator im allgemeinen zwei- bis viermal dicker als die Kathodenfolien sind. Bei an­deren Verhältnissen kann es auch ausreichend sein, jeweils nur eine Kathoden- mit einer Anodenfolie zu verwickeln.

[0016] In der FIG 5 ist ein Elektrolytkondensator dargestellt, der aus einem in ein metallisches Gehäuse 5 eingebauten Kondensatorwickel 4 besteht. Der Wickel 4 besitzt überstehende Kathodenfolien 7, die mit dem Boden 6 des Gehäuses 5 in thermischem Kontakt stehen. Am Boden 6 ist ferner ein Anschlußzapfen 8, vorzugsweise mit Gewinde, angeordnet, an dem beispielsweise ein Kühlblech befestigt werden kann.

[0017] An der anderen Stirnseite besitzt der Wickel 4 überstehende Elektrodenfolien 9, die entweder die gleiche Polarität wie die überstehenden Folien 7 oder die entgegengesetzte Polarität auf­weisen. Somit sind die überstehenden Folien 9 entweder ebenfalls die Kathodenfolien oder die Anodenfolie. Die überstehenden Folien 9 stehen in thermischen Kontakt mit einer metallischen Platte 10, z.B. einer Aluminiumscheibe, die die zweite Wärme­brücke bildet. Die Platte 10 steht an der Stelle 11 in thermi­schen Kontakt mit dem Gehäuse 5, wobei diese Verbindung bei­spielsweise durch eine Passung, eine Pressung oder durch das Ansicken von außen erfolgen kann. Falls die überstehenden Elek­trodenfolien 7 und 9 unterschiedliche Polarität aufweisen, ist dafür Sorge zu tragen, daß die metallische Platte 10 elektrisch vom Gehäuse 5 isoliert ist.

[0018] Wenn die überstehenden Elektrodenfolien 9 die gleiche Polarität wie die überstehenden Folien 7 aufweisen, müssen die Anschluß­streifen 12 für die Folien der anderen Polarität isoliert durch die Metallplatte 10 geführt werden. Die Anschlußstreifen 12 sind mit einer elektrischen Durchführung 13 verbunden, die in einer Deckscheibe 14 angeordnet ist. Die Deckscheibe 14 wird durch eine Umbördelung des Gehäuses 5 befestigt, wobei zwischen Gehäuse 5 und Deckscheibe 14 ein Gummiring 15 zur Abdichtung angeordnet ist.

[0019] In der FIG 6 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der das Gehäuse 5 mit einer metallischen Platte 16 verschlossen ist, die gleichzeitig als Wärmeübertragungsteil für die überstehenden Elektrodenfolien 9 dient. In der Platte 16, z.B. einer Aluminium-­Deckscheibe ist eine elektrische Durchführung 13 angeordnet, die durch die Isolation 17 elektrisch von der Platte 16 getrennt ist. An der Durchführung 13 sind Anschlußstreifen 12 angebracht.

[0020] Es sind zwar aus dem Stand der Technik Abschlußscheiben aus Aluminium bekannt, die jedoch nur einer hochtemperaturbeständi­gen Abdichtung des Gehäuses dienen. Eine Ableitung der Verlust­wärme kommt bei diesem Stand der Technik nicht zustande, da der thermische Kontakt zum Wickel fehlt.

[0021] In der FIG 7 ist eine Ausführungsform mit zwei Gehäusebechern 18, 19 dargestellt. Der Kondensatorwickel 4 besitzt auf einer Seite überstehende Kathodenfolien 7 und auf der anderen Seite überstehende Anodenfolien 9. Jede Seite ist elektrisch und ther­misch mit einem eigenen Metallbecher 18, 19 (z.B. aus Aluminium) verbunden. Die Becher 18, 19 werden durch ein radiales elektrisch isolierendes Teil 20 mittels Sicken 22 und Bördelungen 23 ver­bunden. Gegebenenfalls genügt auch zur Verbindung eine dieser angeführten Maßnahmen. Bei der Umbördelung 23 sind Gummiringe 21 zur Abdichtung vorgesehen.

[0022] Bei dieser Ausführungsform ist eine Isolierung der anodischen Zuleitung nicht erforderlich. Der Anodenbecher 19 sollte zur elektrischen Formierbarkeit zweckmäßigerweise eine entsprechen­ de Reinheit besitzen. Zum elektrischen Anschuß können die Becher Gewindezapfen 24, 25 besitzen.

[0023] Wegen der hohen Symmetrie besitzt diese Ausführungsform eine hohe Schüttelfestigkeit, insbesondere wenn der Wickel 4 dem In­nendurchmesser des Isolierteils 20 angepaßt ist.

[0024] Es sind auch Ausführungsformen möglich, die zwei kathodisch ge­schaltete Gehäusebecher besitzen. In diesem Fall sind elektrische Durchführungen im Isolationsteil angeordnet, wobei allerdings der Anodenanschluß isoliert aus dem Becher herausgeführt werden muß.

[0025] In der FIG 8 sind die Wärmeströme durch unterschiedlich starke Pfeile für die in FIG 5 dargestellte Ausführungsform gezeigt. Im linken Teil der FIG 8 sind die Wärmeströme bei der Vollküh­lung und im rechten Teil die Wärmeströme bei der Bodenkühlung gezeigt. Der Wickel 4 eines Elektrolytkondensators besteht zu 30 bis 40 % aus Aluminium und besitzt an und für sich einen hohen Wärmeleitwert. Dieser besteht jedoch aufgrund des Wickel­schemas nur in der Wickelachsen-Richtung, weshalb der Wärmestrom trotz des längeren Weges über die überstehenden Elektrodenfolien 7 bzw. 9 zum Boden 6 bzw. zur Platte 10 läuft.

[0026] Elektrolytkondensatoren der Nenndaten 4700 µF/350 V wurden in einen Becher der Abmessungen ⌀ 75 mm x 145 mm eingebaut. In der FIG 9 ist die Temperaturverteilung in der Wickelachse bei einer Belastung von 100 A/20 kHz/55°C Kühlwassertemperatur dargestellt. Die Kurve A bezieht sich auf Gehäuse, die nur am Boden und die Kurve B auf solche Gehäuse, die vollständig gekühlt sind. Die Kurven der FIG 9 wurden bei der in der FIG 6 dargestellten Aus­führungsform gemessen, wobei die Temperaturverteilung in der Wickelachse in Abhängigkeit des Abstandes x vom Boden 6 des Gehäuses 5 dargestellt ist.

[0027] Die maximale Übertemperatur T - T_c in der Wickelachse betrug 9°C bei Vollkühlung (Kurve B), während bei einem herkömmlichen Elektro­lytkondensator je nach Kathodendicke 27 bis 33°C Übertemperatur resultierten.

[0028] Bei Beschränkung der Gehäusekühlung auf den Becherboden (Kurve A) erhöhte sich die Übertemperatur auf 16°C, da hier ein Wärme­strom entlang der Becherwand wieder ein zusätzliches Temperatur­gefälle schafft (siehe FIG 8, rechter Teil), das jedoch immer noch kleiner als beim herkömmlichen Elektrolytkondensator ist. Bei einseitiger Gehäusekühlung ist deshalb eine dickere Becher­wandung sinnvoll.

[0029] Neben den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen von Wickel-Elektrolytkondensatoren kann der Gegenstand der Erfin­dung auch bei anderen Kondensatoren mit selbsttragenden Elek­trodenfolien zur besseren Wärmeableitung angewandt werden.

Ansprüche

1. Elektrischer Kondensator mit selbsttragenden Elektrodenfolien, insbesondere Wickel-Elektrolytkondensator für hohe Wechselstrom­belastbarkeit, der in ein metallisches Gehäuse eingebaut ist und eine metallische Wärmebrücke zwischen Kondensator und Gehäu­se besitzt, die durch eine einseitig die Stirnseite überragen­de Elektrodenfolie gebildet wird, die in thermischem Kontakt mit dem Boden des Gehäuses steht, dadurch gekenn­zeichnet, daß im Kondensator eine zweite Wärmebrücke angeordnet ist, die durch eine die zweite Stirnseite überragen­de Elektrodenfolie gebildet wird, die in thermischem Kontakt mit einem weiteren Gehäuseteil steht.

2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die beiden Stirnseiten überragenden Elektrodenfolien dieselbe Polarität aufweisen.

3. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die beiden Stirnseiten überragenden Elektrodenfolien unterschiedliche Polarität auf­weisen.

4. Elektrischer Kondensator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Gehäuseteil aus einer metallischen Platte (10, 16) besteht.

5. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Platte (16) als Gehäuseabschluß ausgebildet ist.

6. Elektrischer Kondensator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Gehäuse zweiteilig ausgebildet ist (FIG 7).

7. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Herausführung von Elek­trodenfolien (7, 9) unterschiedlicher Polarität die beiden Ge­häuseteile (18, 19) durch ein radiales elektrisch isolierendes Teil (20) miteinander verbunden sind.

8. Elektrischer Kondensator nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Elektrodenfolien gleicher Polarität besitzt.

Zeichnung